淺談mqtt協(xié)議與終端監(jiān)測設備結(jié)合

摘要：MQTT是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議， 優(yōu)點是輕量，簡單，開放和易于實現(xiàn)的，這樣的特點在于物聯(lián)網(wǎng)設備中就十分適用，這也是它在物聯(lián)網(wǎng)中被廣泛應用的原因之一。而物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的電表-adw300就可以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過mqtt服務器，實時向客戶平臺推送所監(jiān)測的設備的工作狀態(tài)。保障用電設備能夠安全、可靠、高效的運行。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；mqtt服務器；可靠；
引言
物聯(lián)網(wǎng)（Internent of things），網(wǎng)上熱詞稱為，“物品與物品之間都存在網(wǎng)絡”，它是基于互聯(lián)網(wǎng)的基礎上去延伸和擴展的網(wǎng)絡，形成新的概念——物聯(lián)網(wǎng)。其物品與物品之間進行信息交互和通信，又被稱為，物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知，識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，被廣泛的應用在網(wǎng)絡融合中。
一、MQTT協(xié)議
1.MQTT通訊協(xié)議的概念
  MQTT協(xié)議（Message Queuing Telemtry Transport），又稱消息隊列遙測傳輸協(xié)議，是一種基于發(fā)布/訂閱模式的“輕量級”通訊協(xié)議，它是構(gòu)建與Tcp/IP協(xié)議上，1999年發(fā)布的通訊協(xié)議。MQTT的優(yōu)點在于，可以以很少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設備提供實時可靠的消息服務。作為一種低能耗、低帶寬占用的實時通訊協(xié)議，使其在物聯(lián)網(wǎng)、小型設備、移動應用等方面有較廣泛的應用。
  MQTT服務器（消息代理），常見的mqtt服務器并不是宏觀的機房里一堆柜子，而是基于Erlang/OTP平臺開發(fā)的一個軟件，然后有電腦等等設備運行這個軟件。直觀的理解成運行了 MQTT 消息服務器軟件的一臺服務器或一個服務器集群。
主要的功能是：如下圖1-1所示。
（1）接受來自客戶端的網(wǎng)絡連接
（2）接受客戶端發(fā)布的信息
（3）處理來自客戶端的訂閱和退訂的請求
（4）向訂閱的客戶轉(zhuǎn)發(fā)應用程序的消息。

圖1-1

二、MQTT協(xié)議網(wǎng)絡傳輸
  MQTT會構(gòu)建底層網(wǎng)絡傳輸，它將建立的客戶端和服務器連接，，提供應該有序的，無損的，基于字節(jié)流的雙向傳輸發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MQTT會把與之相關(guān)的服務質(zhì)量（Qos）和主題名（Topic）關(guān)聯(lián)。
（1）協(xié)議原理
  MQTT協(xié)議通訊過程，需要客戶端和服務器共同完成，一共有三個身份，發(fā)布者（Publish），代理（Broker）、訂閱者（Subscribe），其中消息發(fā)發(fā)布者和訂閱者都可以是客戶端，消息代理是mqtt服務器。
①MQTT的實現(xiàn)方式
Topic：主題，可以理解為消息的類型；
Payload：消息內(nèi)容，可以理解為具體要使用的數(shù)據(jù)內(nèi)容
②MQTT客戶端
  一個使用mqtt協(xié)議的運用程序或設備，它是基于mqtt服務器端的網(wǎng)絡連接，常用于發(fā)布信息，訂閱發(fā)布信息，退訂或刪掉應用程序的消息，斷開與服務器連接。
（2） MQTT協(xié)議特性
  協(xié)議是工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡的遠程傳感器和控制設備通訊而設計的協(xié)議，它具備以下主要的幾項特性：
①使用發(fā)布/訂閱消息模式，提供一對多的消息發(fā)布，解除應用程序耦合。
②對負載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸。
③使用Tcp/IP提供網(wǎng)絡連接。
④有三種消息發(fā)布服務質(zhì)量，消息發(fā)布（Qos：0至多一次，1至少一次，2只有一次）
⑤小型傳輸、流量需求小。

圖2-1
 

三、MQTT服務器與終端監(jiān)測設備通訊交流
  很多的電表都是通過接網(wǎng)關(guān)的方式，是設備與mqtt服務器進行數(shù)據(jù)交互，而ADW系列中，幾款電表中的一款——ADW300電表，本身具備上網(wǎng)的功能有4G和wifi兩種，它們通過物聯(lián)網(wǎng)卡或局域網(wǎng)的方式，使設備具備了聯(lián)網(wǎng)的功能，減少設備連接網(wǎng)關(guān)再上服務器瑣碎的過程，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。
（1） ADW300無線計量儀表
  ADW300無線計量儀表主要用于計量低壓網(wǎng)絡的三相有功電能，具有體積小、精度高、功能豐富等優(yōu)點，并且可選通訊方式多，可支持RS485通訊和Lora、NB、4G、wifi等無線通訊方式，增加了外置互感器的電流采樣模式，從而方便用戶在不同場合進行安裝使用。可靈活安裝于配電箱內(nèi)，實現(xiàn)對不同區(qū)域和不同負荷的分項電能計量、運維監(jiān)管或電力監(jiān)控等需求。

（2）標準化MQTT協(xié)議
①訂閱（subscription）
  訂閱包含主題篩選器（Topic Filter）和服務質(zhì)量（QoS）。訂閱會與一個會話（Session）關(guān)聯(lián)。一個會話可以包含多個訂閱。每一個會話中的每個訂閱都有一個不同的主題篩選器。
②會話（session）
  每個客戶端與服務器建立連接后就是應該會話客戶端和服務器之間有狀態(tài)交互，會話存在與一個網(wǎng)絡之間，也可能在客戶端和服務器之間跨越多個連續(xù)的網(wǎng)絡連接。
③主題名（Topic name）
  連接到一個應用程序消息的標簽，該標簽與服務器的訂閱相匹配服務器會將消息發(fā)送給訂閱所匹配標簽的每一個客戶端
④數(shù)據(jù)上傳（Data upload）
  電表無線傳輸做到了小型傳輸、流量需求小，這款電表的數(shù)據(jù)上傳流程簡潔，（詳細見附錄）將多余的數(shù)據(jù)上傳步驟優(yōu)化，促使定制化數(shù)據(jù)上傳，其中包含了常用的電參量數(shù)據(jù)、信號強度、有功需量、電壓電流變比、溫度、DI狀態(tài)、電壓電流諧波畸變率、尖峰平谷電能等等。
四.總結(jié)
  綜上所述，在現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大環(huán)境下，MQTT服務器的已經(jīng)陸續(xù)被各個商家企業(yè)采用，因為MQTT服務器與mqtt協(xié)議能夠滿足他們智能化管理需求。很多企業(yè)的一些生產(chǎn)車間配電柜都需要使用無線設備監(jiān)測用電設備的工作狀態(tài)，而企業(yè)的生產(chǎn)車間大多是分散獨立的用電設備，若每個設備都安裝網(wǎng)關(guān)，那改造的成本是很大的資金。所以大部分企業(yè)為了節(jié)約成本常常會安裝一批用于無線監(jiān)控用電設備的電表——ADW300，通過傳感器對電纜以及生產(chǎn)線的各種設備參數(shù)進行采集，主要包含電流、電壓等電參量數(shù)據(jù)，并且將獲得的數(shù)據(jù)實時上傳到MQTT服務器云端，然后通過物聯(lián)網(wǎng)平臺和數(shù)據(jù)庫訂閱mqtt服務器端主題，來獲取終端監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)終端和云端的雙向通信，搭建強大的數(shù)據(jù)通道，獲得的數(shù)據(jù)被存儲到MQTT服務器的云數(shù)據(jù)庫中，能夠保證數(shù)據(jù)的安全性,搭建用電管理和顯示系統(tǒng)，通過云技術(shù)、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)將獲得的數(shù)據(jù)顯示到前臺，用戶可以通過登錄手機APP、電腦頁面等實時監(jiān)控設備和電纜的電力數(shù)據(jù)情況。
附錄：
ADW300-4G的數(shù)據(jù)上傳流程圖

參考文獻
［1］企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.05版